常見平衡回路問題的分析及改進

文／徐虎，廖端，劉晶，王偉，黃永普·廣汽乘用車有限公司宜昌分公司

對于常見的幾種液壓平衡回路，分別從上升、保持和下降等三個階段進行了系統全面的工況分析，列出了一些常見平衡回路存在的問題，不僅提出改進后的參考平衡回路，還對平衡回路的穩定性和可能的問題原因進行了分析。

在生產現場，很多機器設備不可避免地需要負重進行垂直升降運動，當負載下降時，會因為自身所受的重力而加速下行，這對生產作業區域內機械設備的正常使用造成了較大的影響，甚至會威脅到作業人員的人身安全。這在生產實際中是絕對不允許發生的，因此非常有必要在機器設備的液壓系統中設置平衡回路來避免安全事故的發生，為正常的生產作業提供安全保障。本文列出了常見的幾種液壓平衡回路，并對其進行系統全面地分析，不僅為該類型回路的正確應用奠定了基礎，而且提出了具體參考建議。

平衡回路概念

為了避免或減少在垂直方向運動時，執行元件或負載因為自重而出現的下滑和失速現象，為了有效控制下降運動速度，通常會選擇在回路中設置阻力，以便能夠讓所產生的背壓來平衡執行元件或負載的重量，這樣的回路稱為液壓平衡回路。

對于具有升降功能的執行機構，在上升時重力的方向與運動方向相反，稱為正向負載；下降時重力的方向與運動方向相同，稱為負向負載。其中負向負載在實際應用中很常見，如圖1 所示，當液壓缸承受負向負載時，若回油腔無背壓或背壓過小，負載就會在重力作用下快速下落，嚴重時將可能導致安全事故的發生。在工程應用中，通常選擇在液壓缸回油路設置平衡閥或節流閥，以便在液壓缸的回油腔形成足夠的背壓來防止“失速”現象的發生。

圖1 常見負向負載的工況示意圖

常見平衡回路分析

不管是哪種平衡回路，一般只存在三種工況：上升、保持和下降。平衡回路只有在負載保持和負載下降兩個工況時起到作用，在負載保持時鎖緊回路，在負載下降時控制速度。下面分別對圖2 所示的3 種常見平衡回路進行分析。

上升階段

圖2(a)是單向順序閥和三位四通電磁閥(M 型中位機能)構成的平衡回路，當電磁閥交叉位通電時，進油路為：電磁閥P 口→電磁閥B 口→單向閥→液壓缸下腔(無桿腔)，實現負載上升；回油路為：液壓缸上腔(有桿腔)→電磁閥A 口→電磁閥T 口→油箱，這一種工況一般不會出現問題，但由于電磁換向閥(閥芯為滑閥結構)存在較大的泄漏因素，當負載上升時，不能夠按預期的速度和時間到達行程的終點位置。圖2(b)、2(c)上升階段與圖2(a)上升階段類似，此處不再贅述。

圖2 常見的幾種平衡回路

保持階段

圖2(a)中，當電磁閥線圈斷電時，電磁閥處于中位，液壓泵處于卸荷狀態。必須說明，單向順序閥的控制口開啟壓力應比負載及液壓缸活塞的總重量稍大些，從而回路中無桿腔及單向順序閥之間的油液便被“鎖住”，并且能夠提供平衡力與負載及液壓缸活塞的自重相平衡。但是，由于單向順序閥中的結構和電磁換向閥的結構均為間隙密封方式的滑閥結構，液壓缸活塞不可能長時間在任意位置準停，因此這種回路僅僅適用于工作負載比較固定，并且液壓缸閉鎖要求不高的工況。

圖2(b)與圖2(c)相似，二者區別就是單向順序閥的控制結構原理不同，圖2(a)中單向順序閥的控制方式屬于內控，而圖2(b)中單向順序閥的控制方式屬于外控，回路的其余特征可以此類比，這里不再贅述。

圖2(c)中，鑒于液控單向閥的錐面密封結構，與圖2(a)、圖2(b)相比，泄漏相對小很多，其承重保持性較好。當然，圖2(c)這個回路也有需要優化的地方，電磁換向閥采用M 型的中位機能，雖然這樣可以使液壓泵及時卸荷，但因為電磁換向閥A、B口封閉，進而使得液壓缸兩腔封閉，液控單向閥控制口處高壓油仍存在一定的壓力，這個壓力來不及瞬間卸掉，造成液控單向閥不能瞬間關閉，直到由于電磁換向閥的泄漏使控制口處的壓力下降到一定值后，液控單向閥的控制口才能關閉，這就勢必會降低負載承重靜止的準確度，形成低頻振蕩，也就是通常所說的“點頭”現象。將電磁換向閥的中位機能換成Y 型或者H 型，則電磁換向閥處于中位時，液控單向閥的控制口與油箱相連接，控制口無壓力，液控單向閥不能反向開啟，處于“鎖緊”狀態，優化改進后如圖3 所示。

圖3 改進后的液控單向閥平衡回路

在該回路中，將電磁換向閥中位機能改成了H形，另外在液壓缸的下腔(無桿腔)增設了一個溢流閥作為安全閥，避免因液控單向閥或單向順序閥失靈，導致出現無法開啟的異常故障。

下行階段

當負載在下行階段時，希望平衡回路具備良好的承受負載能力，下行運動過程中的速度要充分受控。

圖2(a)中，當電磁換向閥處于平行位時，進油路為：電磁閥P 口→電磁閥A 口→液壓缸上腔(有桿腔)，實現負載下行；回油路為：液壓缸下腔(無桿腔)→順序閥→電磁閥B 口→電磁閥T 口→油箱，單向順序閥在負載下行過程中起到背壓平衡的作用，當調整順序閥的開啟壓力P順，使得P順與液壓缸下腔(無桿腔)作用面積S 的乘積略大于垂直運動部件(包括負載和液壓缸活塞)的重量，可防止液壓缸活塞因承受重力而下滑，P順的調節可以根據公式⑴進行判斷、把握：

式中，P順為順序閥的開啟壓力(也就是回油腔、下腔、無桿腔的背壓力)；S1為液壓缸下腔(無桿腔)的作用面積；G 為負載和液壓缸活塞的重量之和。

現假設液壓缸上腔(有桿腔)的通油壓力為P，液壓缸有桿腔的作用面積為S2，則要使液壓缸能夠平穩、均勻下行，需要滿足公式⑵：

根據流量連續性方程可得公式⑶：

式中，v1為液壓缸下腔(無桿腔)通油的運動速度；

v2為液壓缸上腔(有桿腔)通油的運動速度；

令k ＝v1/v2為液壓缸的上下兩腔運動的速度比，結合⑵、⑶兩式，可得：

由此可以得出P順順序閥的開啟壓力(也就是回油腔、下腔、無桿腔的背壓力)的計算公式。當負載不斷下行的同時，液壓泵通過電磁換向閥開始往液壓缸有桿腔(上腔)供油，有桿腔(上腔)產生一個向下的作用力，加上負載及活塞向下的重力，使回油腔壓力增大，使得順序閥開啟。

因為順序閥能起到一定的背壓，所以液壓泵排出來的油液分兩支路排放：一條支路通過電磁換向閥到達液壓缸有桿腔；另一支路通過溢流閥溢回油箱。當在液壓回路運行的某一時間段內，因為有溢流閥的溢流效應存在，液壓缸無桿腔(下腔)油液壓力會出現時高時低的波動，造成的后果就是回油路上的順序閥時開時閉，進而造成液壓缸運動的不平穩。當減小負載重量時，順序閥壓力已在負載減小之前調定好了，使得液壓回路系統的功率損失將增大，效率下降，因此該回路不適合運動速度穩定性精確、負載變化快的工況。

圖2(b)中的回路與圖2(a)中回路相比，單向順序閥的開啟與否取決于控制壓力，而與負載無關，在活塞下運行時順序閥被控制油打開，由于背壓低導致系統效率很高，但是活塞部件有可能加速下滑，存在平衡性較差以致產生振蕩的可能。為此，可采取相應措施對回路進行改進，如在順序閥的控制口中加入節流閥，調整節流閥的開度使順序閥啟閉動作減慢，在一定程度上可以達到減輕液壓沖擊的目的。改進后的液控順序閥平衡回路如圖4 所示。

圖4 改進后的液控順序閥平衡回路

平衡回路穩定性分析

下面以圖4 所示的平衡回路為例，對平衡回路的穩定性進行分析。首先著重分析回路下行階段，當電磁換向閥平行位通電后，壓力油通往液壓缸有桿腔(下腔)，與此同時，該壓力油與平衡閥控制口接通，平衡閥開啟后液壓缸活塞便有向下的速度v 輸出。當活塞的實際運動速度比理論運動速度(這取決于通往液壓缸有桿腔的理論供油流量)快時，這也就相當于是從液壓缸有桿腔(上腔)多流出流量△q，對應地液壓缸有桿腔(上腔)的壓力就會下降△p，也就是平衡閥控制口的控制壓力下降了相同的數值，平衡閥閥芯有趨于關閉的趨勢。

如果在平衡閥的控制口處施加一個突變信號，平衡閥閥芯會停止關閉的趨勢，轉而有加速開啟的趨勢，當閥芯加速開啟到平衡閥的通流面積增加到穩態值的時候(所謂穩態值，即平衡閥產生的背壓力剛好能夠平衡液壓缸的下行負載)，閥芯達到受力平衡。因為有慣性加速度的存在，平衡閥閥芯會繼續開啟，平衡閥調壓彈簧進一步被壓縮，彈簧力進一步增大，閥芯所受阻力增大，閥芯開啟速度降低，此時平衡閥的通流面積已經超過穩態值，液壓缸無桿腔(下腔)已不能平衡下行負載，活塞加速向下運動，液壓缸有桿腔(上腔)壓力趨于減小，相應地平衡閥會趨于關閉。同時，液壓缸向下運動的速度會降低，液壓缸有桿腔(上腔)壓力增大，造成的結果是平衡閥又趨于開啟。

在這個過程中，平衡閥交替出現開啟、關閉，而液壓缸交替出現加速、減速。如果平衡閥的超調量小，即平衡閥在動態過程時只是輕微振蕩，后趨于平穩，可以認為平衡回路是穩定的。如果平衡閥超調量過大，平衡閥會持續振蕩，液壓缸會出現加劇爬行的現象，此時平衡回路不能被判定為穩定。

考慮到液壓回路不可避免地存在負載慣性、油液的壓縮性等因素的影響，當輸入控制壓力信號到反饋壓力信號時，不可避免地存在滯后性。根據前面的分析，我們可以得知平衡閥通流截面梯度大，相應的流量增益也很大，由液壓缸無桿腔(下腔)連帶活塞、平衡閥組成的開環系統的開環增益相應很大。由控制理論基礎知識可知，當開環系統的相位滯后180°時，對應的幅值增益大于0db，此時的平衡回路系統不再處于穩定狀態。為避免平衡回路系統處于不穩定狀態，在難以改變回路系統相位滯后的情況下(因為負載慣性、油液壓縮性不可避免)，一個可行的措施是采取降低回路系統的開環增益。例如，當平衡閥控制口壓力施加過快(過大)或受外界干擾而出現波動時(此時相當于是回路系統的開環增益增大)，可在平衡閥的控制油路上增設可變節流閥，調節節流閥的開度，即使出現振蕩和干擾，當通過節流閥時也會因能量消耗而衰減，使得回路系統開環增益減小，提高回路系統的穩定性。

結語

上文分析了幾種典型的平衡回路，有各自的適用工況和優缺點，并針對各自回路的特點提出了優化改進后的回路，對改進優化后平衡回路的穩定性也進行了分析。在平衡回路實際運用中，設計或者現場維護人員應根據實際工況需求來綜合取舍，正確擬定液壓原理，合理調試元件參數，分析系統中的變量狀況，這樣才能保證系統順利可靠地運行。